El grupo de gotas es una monocapa levitante autoensamblada de microgotas generalmente dispuestas en una estructura ordenada hexagonalmente sobre una capa delgada de agua calentada localmente (aproximadamente 1 mm). El grupo de gotas es tipológicamente similar a los cristales coloidales . El fenómeno se observó por primera vez en 2004 [1] y desde entonces ha sido ampliamente estudiado. [2] [3]
Las gotas de condensación en crecimiento con un diámetro típico de 0,01 mm a 0,2 mm levitan a una altura de equilibrio, donde su peso se equilibra mediante la fuerza de arrastre del chorro de aire-vapor ascendente que se eleva sobre el punto calentado. Al mismo tiempo, las gotas son arrastradas hacia el centro del punto calentado; sin embargo, no se fusionan, formando un patrón hexagonal ordenado (más denso) debido a una fuerza de presión aerodinámica repulsiva del flujo de gas entre las gotas. La mancha se calienta normalmente con un rayo láser u otra fuente de calor a entre 60 °C y 95 °C, aunque el fenómeno también se observó a temperaturas ligeramente superiores a 20 °C. [4] La altura de levitación y la distancia entre las gotas son del mismo orden que sus diámetros. [5]
Debido a la naturaleza compleja de las fuerzas aerodinámicas entre las microgotas en un chorro ascendente, las gotas no se fusionan sino que forman una estructura hexagonal muy compacta que muestra similitud con varios objetos clásicos y recientemente descubiertos, donde la autoorganización es prominente, incluidas las figuras de respiración de agua. cristales coloides y de polvo, espumas , células de Rayleigh-Bénard y, hasta cierto punto, cristales de hielo . Las gotas se acumulan cerca del centro del área calentada donde la temperatura y la intensidad de los chorros de vapor ascendentes son mayores. Al mismo tiempo, existen fuerzas de repulsión de naturaleza aerodinámica entre las gotas. En consecuencia, el cúmulo se empaqueta en la forma más densa (una estructura de panal hexagonal ) con una cierta distancia entre las gotas que depende de las fuerzas de repulsión. [5]
Controlando la temperatura y el gradiente de temperatura se puede controlar el número de gotas y su densidad y tamaño. Utilizando irradiación infrarroja, es posible suprimir el crecimiento de gotas y estabilizarlas durante largos períodos de tiempo. [6]
Se ha sugerido que el fenómeno, cuando se combina con un estudio espectrográfico del contenido de las gotas, puede utilizarse para un análisis bioquímico rápido in situ. [7] Estudios recientes han demostrado que el grupo puede existir a temperaturas más bajas de aproximadamente 20 °C, lo que lo hace adecuado para el análisis bioquímico de objetos vivos. [4]
Se pueden crear grupos con una pequeña cantidad arbitraria de gotas. A diferencia de los grupos con una gran cantidad de gotas, los grupos pequeños no siempre pueden formar una estructura hexagonalmente simétrica. En cambio, producen diferentes configuraciones más o menos simétricas dependiendo del número de gotas. El seguimiento de gotas individuales en pequeños grupos es crucial para posibles aplicaciones. La simetría, el orden y la estabilidad de estas configuraciones pueden estudiarse con una medida de autoorganización como la entropía de Voronoi. [8]
Desde que se observó por primera vez en 2004 el grupo de gotas hexagonales (en forma de panal) más común, se descubrieron nuevos tipos de grupos de gotas levitantes. En un grupo de gotas en cadena, las gotas en rotación pueden estar muy cerca unas de otras, pero la viscosidad de la fina capa de gas entre las gotas impide que se fusionen. Hay una transición estructural reversible del grupo hexagonal ordenado a la estructura en forma de cadena. [9] Un grupo jerárquico está formado por pequeños grupos de gotas con interacciones controladas por la fuerza electrostática que se combinan en estructuras más grandes controladas por fuerzas aerodinámicas. Los agregados de gotitas se reestructuran continuamente. Las gotitas se reorganizan permanentemente, por lo que el fenómeno es similar al "caos determinista" (el atractor de Lorenz ). [10] En ausencia del tensioactivo que suprime el flujo termocapilar (TC) en la superficie de la capa de agua, se forma un grupo en forma de anillo. [11] Los grupos pequeños pueden demostrar una simetría de 4, 5 y 7 veces, que está ausente en los grandes grupos de gotitas y cristales coloidales. Las propiedades de simetría de las configuraciones de grupos pequeños son universales, es decir, no dependen del tamaño de las gotas ni de los detalles de las interacciones entre las gotas. Se planteó la hipótesis de que las simetrías en grupos pequeños pueden estar relacionadas con la clasificación ADE o con los diagramas de Dynkin simplemente entrelazados . [12]
El fenómeno del cúmulo de gotas es diferente del efecto Leidenfrost porque este último ocurre a temperaturas mucho más altas sobre una superficie sólida, mientras que el cúmulo de gotas se forma a temperaturas más bajas sobre una superficie líquida. El fenómeno también se ha observado con líquidos distintos del agua.